Що таке азот? Маса азоту. Молекула азоту

Неметалеві елементи 15-ї групи [Va] періодичної таблиці - азот, 2 атома якого, з`єднуючись, утворюють молекулу, - безбарвний, без запаху і смаку газ, що становить більшу частину атмосфери Землі і є складовою частиною всього живого.

Історія виявлення

Газ азот становить близько 4/5 земної атмосфери. Він був виділений в ході попередніх досліджень повітря. У 1772 році шведський хімік Карл-Вільгельм Шеєле першим продемонстрував, що таке азот. На його думку, повітря є сумішшю двох газів, один з яких він назвав «вогненним повітрям», т. К. Той підтримував горіння, а інший - «нечистим повітрям», тому що він залишався після того, як перший витрачався. Це були кисень і азот. Приблизно в той же час азот був виділений шотландським ботаніком Даніелем Резерфордом, який першим опублікував свої висновки, а також британським хіміком Генрі Кавендіш і британським священнослужителем і вченим Джозефом Прістлі, який розділив з Шеєле першість відкриття кисню. Подальші дослідження показали, що новий газ входить до складу селітри, або нітрату калію (KNO₃), І, відповідно, він був названий нітрогену ("рождающим селітру") Французьким хіміком Шапталем в 1790 р Азот був вперше віднесено до хімічних елементів Лавуазьє, чиє пояснення ролі кисню в горінні спростувало теорію флогістону - популярне в XVIII в. хибне уявлення про горіння. Нездатність цього хімічного елемента підтримувати життя (по-грецьки &zeta-&omega- ) стала причиною того, що Лавуазьє назвав газ азотом.

Виникнення і поширення

Що таке азот? За поширеністю хімічних елементів він займає шосте місце. Атмосфера Землі на 75,51% за вагою і на 78,09% за обсягом складається з цього елемента і є основним його джерелом для промисловості. В атмосфері також міститься невелика кількість аміаку і солей амонію, а також оксиди азоту та азотна кислота, утворюються під час гроз, а також в двигунах внутрішнього згоряння. Вільний азот знайдений у багатьох метеоритах, вулканічних і шахтних газах і деяких мінеральних джерелах, на сонці, в зірках і туманностях.

Азот також зустрічається в мінеральних відкладеннях нітрату калію і натрію, але для задоволення потреб людини їх недостатньо. Іншим матеріалом, багатим цим елементом, є гуано, яке можна знайти в печерах, де багато кажанів, або в сухих місцях, відвідуваних птахами. Також азот міститься в дощі і грунті у вигляді аміаку і солей амонію, а в морській воді у вигляді іонів амонію (NH₄⁺), Нітритів (NO₂^-) І нітратів (NO₃^-). В середньому він становить близько 16% складних органічних сполук, таких як білки, присутніх у всіх живих організмах. Природне його вміст в земній корі становить 0,3 частини на 1000. Поширеність в космосі - від 3 до 7 атомів на атом кремнію.

Найбільшими країнами-виробниками азоту (у вигляді аміаку) на початку XXI століття були Індія, Росія, США, Тринідад і Тобаго, Україна.

Комерційне виробництво і використання

Промислове виробництво азоту засноване на фракційній перегонці зрідженого повітря. Температура його кипіння дорівнює -195,8 ° С, що на 13 ° С нижче, ніж у кисню, який таким чином відокремлюється. Азот також може бути отриманий у великих масштабах шляхом спалювання вуглецю або вуглеводнів в повітрі і відділення отриманого діоксиду вуглецю і води з залишкового азоту. У малих масштабах чистий азот виробляється шляхом нагрівання азида барію Ba (N₃)₂. Лабораторні реакції включають нагрів розчину нітриту амонію (NH₄NO₂), Окислення аміаку водним розчином брому або нагрітим оксидом міді:

Відео: Хімія. Валентні можливості азоту. Центр онлайн-навчання «Фоксфорд»

NH₄⁺+NO₂^- N₂+2H₂O.
8NH₃+3Br₂ N₂+6NH₄⁺+6Br^-.
2NH₃+3CuO N₂+3H₂O + 3Cu.

Елементарний азот може бути використаний в якості інертної атмосфери для реакцій, що вимагають виключення кисню і вологи. Знаходить застосування і рідкий азот. Водень, метан, окис вуглецю, фтор і кисень - єдині речовини, які при температурі кипіння азоту не переходять в твердий кристалічний стан.

У хімічній промисловості цей хімічний елемент використовується для запобігання окислення або інший псування продукту, як інертний розчинник хімічно активного газу, для видалення тепла або хімічних речовин, а також в якості інгібітора пожежі або вибуху. У харчовій промисловості газ азот застосовується для запобігання псуванню продуктів, а рідкий - для сушіння заморожуванням і в системах охолодження. У електротехнічної промисловості газ запобігає окисленню і інші хімічні реакції, створює тиск в оболонці кабелю і захищає електродвигуни. У металургії азот використовується при зварюванні і пайку, запобігаючи окислення, обуглерожіваніе і обезуглероживание. Як неактивний газ його застосовують у виробництві пористої гуми, пластмаси і еластомерів, він служить в якості палива в аерозольних балончиках, а також створює тиск рідкого палива в реактивних літаках. У медицині швидке заморожування рідким азотом використовується для збереження крові, кісткового мозку, тканин, бактерій і сперми. Він знайшов застосування і в кріогенних дослідженнях.

з`єднання

Велика частина азоту використовується у виробництві хімічних сполук. Потрійна зв`язок між атомами елемента настільки сильна (226 ккал на моль, вдвічі більше, ніж у молекулярного водню), що молекула азоту насилу вступає в інші сполуки.

Основним промисловим методом фіксації елемента є процес Хабера-Боша для синтезу аміаку, розроблений під час Першої світової війни, щоб зменшити залежність Німеччини від чилійської селітри. Він включає прямий синтез NH₃ - Безбарвного газу з різким, дратівливим запахом - безпосередньо з його елементів.

Велика частина аміаку перетворюється в азотну кислоту (HNO₃) І нітрати - солі та складні ефіри азотної кислоти, кальциновану соду (Na₂CO₃), Гідразин (N₂H₄) - Безбарвна рідина, яка використовується в якості ракетного палива і в багатьох промислових процесах.

Азотна кислота є іншим основним комерційним з`єднанням даного хімічного елемента. Безбарвна, висококоррозіонная рідина використовується у виробництві добрив, барвників, лікарських засобів і вибухових речовин. Нітрат амонію (NH₄NO₃) - Сіль аміаку і азотної кислоти - є найбільш поширеним компонентом азотних добрив.

Азот + кисень

З киснем азот утворює ряд оксидів, в т. Ч. Закис азоту (N₂O), в якій його валентність дорівнює +1, окис (NO) (+2) і двоокис (NO₂) (+4). багато оксиди азоту надзвичайно летучі- вони є головними джерелами забруднення в атмосфері. Закис азоту, також відома як звеселяючий газ, іноді використовується як анестезуючий засіб. При вдиханні вона викликає м`яку істерію. Оксид азоту швидко реагує з киснем з утворенням коричневого діоксиду, проміжного продукту у виробництві азотної кислоти і потужного окислювача в хімічних процесах і ракетному паливі.

Відео: # 15 Хімія: Отримання Азоту, Аміаку, азотної кислоти

Також використовуються деякі нітриди, утворені сполученням металів з азотом при підвищених температурах. Нітриди бору, титану, цирконію і танталу мають спеціальні застосування. Одна кристалічна форма нітриду бору (BN), наприклад, по твердості не поступається алмазу і погано окислюється, тому використовується в якості високотемпературного абразиву.

Неорганічні ціаніди містять групу CN^-. Ціаністий водень, або синильна кислота HCN, є вкрай нестійким і надзвичайно токсичним газом, який застосовується для фумігації, концентрації руди, в інших промислових процесах. Диціан (CN)₂ використовується в якості проміжного хімічної речовини і для фумігації.

Азиди представляють собою з`єднання, які містять групу з трьох атомів азоту -N₃. Більшість їх хитке і дуже чутливо до ударів. Деякі з них, такі як азид свинцю Pb (N₃)₂, використовуються в детонаторах і капсулях. Азиди, подібно галогенам, охоче взаємодіють з іншими речовинами і утворюють безліч з`єднань.

Азот входить до складу декількох тисяч органічних сполук. Більшість з них є похідними від аміаку, ціаністого водню, ціану, закису або азотної кислоти. Аміни, амінокислоти, аміди, наприклад, отримані з аміаку або тісно пов`язані з ним. Нітрогліцерин і нитроцеллюлоза - складні ефіри азотної кислоти. Нітрити отримують з азотистої кислоти (HNO₂). Пурини і алкалоїди є гетероциклічними сполуками, в яких азот заміщає один або кілька атомів вуглецю.

Відео: ОКСИД АЗОТУ (NO)

Властивості і реакції

Що таке азот? Це безбарвний газ без запаху, який вони вбирають при -195,8 ° С в безбарвну, малов`язкими рідина. Елемент існує у вигляді молекул N₂, подаються у вигляді: N ::: N :, у яких енергія зв`язку, що дорівнює 226 ккал на моль, поступається тільки окису вуглецю (256 ккал на моль). З цієї причини енергія активації молекулярного азоту дуже висока, тому в звичайних умовах елемент щодо інертний. Крім того, високостабільного молекула азоту в значній мірі сприяє термодинамічної нестійкості багатьох азотовмісних сполук, в яких зв`язку, нехай і досить сильні, але поступаються зв`язків молекулярного азоту.

Відносно недавно і несподівано була відкрита здатність молекул азоту служити в якості лігандів в комплексних з`єднаннях. Спостереження того, що деякі розчини комплексів рутенію можуть поглинати атмосферний азот, призвело до того, що незабаром може бути знайдений більш простий і кращий спосіб фіксації цього елемента.

Активний азот можна отримати шляхом пропускання газу низького тиску через високовольтний електричний розряд. Продукт світиться жовтим і набагато охочіше вступає в реакції, ніж молекулярний, з атомарним воднем, сіркою, фосфором і різними металами, а також здатний розкладати NO до N₂ і O₂.

Більш чітке уявлення про те, що таке азот, можна отримати завдяки його електронну структуру, яка має вигляд 1s²2s²2p³. П`ять електронів зовнішніх оболонок слабо екранують заряд, в результаті чого ефективний ядерний заряд відчувається на відстані ковалентного радіуса. Атоми азоту відносно невеликі і мають високу електронегативність, розташовуючись між вуглецем і киснем. Електронна конфігурація включає три полузаполненние зовнішні орбіталі, що дозволяють утворювати три ковалентні зв`язки. Тому атом азоту повинен володіти надзвичайно високою реакційною здатністю, утворюючи з більшістю інших елементів стабільні бінарні сполуки, особливо коли інший елемент істотно відрізняється електронегативні, що надає значну полярність зв`язків. Коли електронний торгівельний іншого елемента нижче, полярність надає атому азоту частковий негативний заряд, що звільняє його нерозділені електрони для участі в координаційних зв`язках. Коли інший елемент більш електроотріцателен, частково позитивний заряд азоту істотно обмежує донорні властивості молекули. При малої полярності зв`язку, внаслідок рівній електронегативності іншого елемента, множинні зв`язку превалюють над поодинокими. Якщо невідповідність атомних розмірів перешкоджає утворенню множинних зв`язків, то утворена проста зв`язок, ймовірно, буде відносно слабкою, і з`єднання буде нестійким.

аналітична хімія

Часто відсоток азоту в газовій суміші може бути визначений шляхом виміру її обсягу після поглинання інших компонентів хімічними реагентами. Розкладання нітратів сірчаною кислотою в присутності ртуті вивільняє окис азоту, яка може бути виміряна у вигляді газу. Азот вивільняється з органічних сполук, коли вони згоряють над окисом міді, а вільний азот може бути виміряний у вигляді газу після поглинання інших продуктів згоряння. Добре відомий метод Кьельдаля з визначення вмісту розглянутого нами речовини в органічних сполуках полягає в розкладанні з`єднання концентрованої сірчаної кислотою (в разі необхідності містить ртуть, або її оксид, а також різні солі). Таким чином азот перетворюється в сульфат амонію. Додавання гідроксиду натрію вивільняє аміак, який збирають звичайної кіслотой- залишкова кількість не прореагувала кислоти потім визначається титруванням.

Біологічне і фізіологічне значення

Роль азоту в живої матерії підтверджує фізіологічну активність його органічних сполук. Більшість живих організмів не може використовувати цей хімічний елемент безпосередньо і має мати доступ до його з`єднань. Тому фіксація азоту має величезне значення. У природі це відбувається в результаті двох основних процесів. Одним з них є дія електричної енергії на атмосферу, завдяки чому молекула азоту і кисню дисоціюють, що дозволяє вільним атомам утворити NO і NO₂. Двоокис потім вступає в реакцію з водою: 3NO₂+H₂O 2HNO₃+NO.

HNO₃ розчиняється і приходить на Землю з дощем у вигляді слабкого розчину. Згодом кислота стає частиною комбінованого азоту грунту, де нейтралізується, утворюючи нітрити та нітрати. Зміст N в культивованих грунтах, як правило, відновлюється завдяки внесенню добрив, що містять нітрати і амонійні солі. Виділення тварин і рослин і їх розкладання повертає сполуки азоту в грунт і повітря.

Іншим основним процесом природної фіксації є життєдіяльність бобових. Завдяки симбіозу з бактеріями ці культури здатні перетворювати атмосферне азот безпосередньо в його сполуки. Деякі мікроорганізми, такі як Azotobacter Chroococcum і Clostridium pasteurianum, здатні фіксувати N самостійно.

Сам газ, будучи інертним, нешкідливий, за винятком випадку, коли їм дихають під тиском, і він розчиняється в крові і інших рідинах тіла в більш високих концентраціях. Це викликає наркотичний ефект, а якщо тиск знижується занадто швидко, надлишок азоту виділяється у вигляді бульбашок газу в різних місцях організму. Це може викликати біль в м`язах і суглобах, непритомність, частковий параліч і навіть смерть. Ці симптоми називаються декомпрессионной хворобою. Тому ті, хто змушений дихати повітрям в таких умовах, повинні дуже повільно знижувати тиск до нормального, щоб надлишок азоту виходив через легені без утворення бульбашок. Кращою альтернативою є використання для дихання суміші кисню і гелію. Гелій набагато менш розчинний в рідинах організму, і небезпека зменшується.

ізотопи

Азот існує у вигляді двох стабільних ізотопів: ¹⁴N (99,63%) і ¹⁵N (0,37%). Вони можуть бути розділені за допомогою хімічного обміну або шляхом термічної дифузії. Маса азоту у вигляді штучних радіоактивних ізотопів знаходиться в межах 10-13 і 16-24. Найбільш стабільний період напіврозпаду, рівний 10 хвилинам. Перша штучно індукована ядерна трансмутація була проведена в 1919 р британським фізиком Ернестом Резерфордом, який, бомбардуючи азот-14 альфа-частками, отримав ядра кисню-17 і протони.